磁铁矿嵌入的细菌纤维素膜的制备

摘要

来源：Arias, S. L., 等. 利用氧化铁纳米颗粒制备功能化磁性细菌纳米纤维素。J. Vis. Exp. (2016)

本视频展示了在由Gluconacetobacter xylinus产生的细菌纳米纤维素膜内原位合成磁铁矿纳米颗粒的过程。该方法通过铁离子渗透、碱性沉淀和纯化步骤，制备出具有磁性的细菌纳米纤维素。

方案

1. 聚合物包覆氧化铁纳米颗粒的合成及其在细菌纳米纤维素（BNC）膜中的沉积

1. 向1000 ml高纯水中通入氮气鼓泡，以去除水中溶解的氧气并用氮气取代。
2. 使用三颈圆底烧瓶配制氯化铁六水合物（FeCl₃·6H₂O）与乙酸钠（NaOAc）摩尔比为2:1的溶液。₃·6H₂O) 和氯化亚铁四水合物（FeCl₂·4H₂O) 用脱氧的高纯水稀释。例如，使用 5.4 g FeCl₃·6H₂O 和 1.98 g FeCl₂·4H₂O，加入10 ml脱氧高纯水中。如果该溶液过于黏稠而难以搅拌，可使用0.54 g FeCl₃·6H₂O 和 0.198 g FeCl₂·4H₂O₂ 在 20 ml 脱氧高纯水中。
   注意： 缩短 FeCl 的暴露时间₂·4H₂尽可能快速称量该化合物，以防止其从氧气中暴露于空气中。一旦将其加入三颈圆底烧瓶后，立即用隔膜塞封闭三颈圆底烧瓶，直至其与氮气供应装置和冷凝管连接。
3. 利用反应容器的两个瓶口，将氮气源连接至插有针头的橡胶隔垫，并将该隔垫固定于容器瓶口，以实现氮气的持续通入和排出。
4. 将1个BNC薄膜（直径15.6 mm，厚度2–3 mm）放入装有反应物的容器中，确保样品完全浸没在液体中。
5. 将容器的剩余瓶口连接至冷凝管。此外，在冷凝管顶端安装一个装有无水硫酸钙的干燥管。向冷凝管中通入冷却水。
6. 用真空润滑脂密封所有玻璃接头。
7. 将溶液置于硅油浴中，使用搅拌加热板加热至 80 °C，并在此温度下保持至步骤 1.10。加入一小段磁力搅拌子，以 350 rpm 的速度搅拌反应物 5 分钟。确保 BNC 已被亚铁溶液充分浸渍，且反应物完全溶解。持续搅拌混合物直至实验结束。
   注意： 使用温度计检测硅油的温度，应稳定在 80 °C。
8. 将搅拌速度提高至700 rpm，并在5分钟时间内逐滴加入5 ml氢氧化铵（NH₄使用已插入隔膜塞中的移液针，向10 ml的亚铁溶液中加入氢氧化铵（OH, 14%）。加入氢氧化铵后，溶液颜色由黄/橙色变为黑色。
9. 继续在 80 °C 下搅拌溶液 5 分钟。避免高速搅拌，以保持样品的完整性。高速 即，高于1,000 rpm 可能会破坏样品。
10. 使用搅拌加热板的温度控制功能将溶液温度降至 30 °C，并继续搅拌 5 分钟。随后关闭加热板。此时，氧化铁纳米颗粒（IONPs）已成功掺入细菌纳米纤维素（BNC）网状结构中。
11. 将混合物冷却至室温（RT），并使用强永磁体分离磁性纳米颗粒（MNPs）和细菌纳米纤维素（BNC）。例如，1 特斯拉）。为此，将混合物转移至容器烧瓶中，然后在保持磁铁靠近容器的同时，固定磁性纳米颗粒（MNPs）和细菌纳米纤维素（BNC），随后倾倒上清液。
    注意： 操作强磁体时需谨慎，因使用不当可能造成伤害。在步骤（1.12）–（1.14）和（1.16）中，使用此前在（1.1）中制备的脱氧高纯水，以防止颗粒氧化。
12. 将磁性纳米颗粒（MNPs）和细菌纳米纤维素（BNC）重悬于 100 ml 水中。轻轻振荡溶液，以去除未牢固结合到 BNC 中的全部 MNPs。再次使用磁铁固定 MNPs 和 BNC，倾倒上清液。
13. 用去离子水反复洗涤磁性纳米颗粒（MNPs）和细菌纳米纤维素（BNC），直至上清液呈中性（pH≈7），使用比色试纸测定pH值。
14. 用镊子将磁性功能化的BNC或磁性细菌纤维素（MBNC）从磁性纳米颗粒（MNPs）中分离，并用水反复冲洗MBNC，直至流出的水清澈为止。
15. 通过将 MBNC 置于紫外光（110-280 nm）下过夜（O/N）照射，对 MBNC 进行灭菌。
16. 将500 ml脱氧高纯水在120 °C下高压灭菌20分钟，并将MBNC储存于20 ml该水中。
17. 无菌条件下，将样品浸入1%聚乙二醇（PEG）中，在室温（37 °C）下搅拌2小时。该步骤可提高沉积在细菌纳米纤维素（BNC）中、特别是暴露于表面的氧化铁纳米颗粒的生物相容性和稳定性。PEG涂层将分布于MBNC的三维网络结构中。
    注意： 裸露的IONPs由于具有较高的化学活性，在空气中容易被氧化。尽管聚乙二醇（PEG）被认为是一种非生物降解材料，但其化学稳定性仍取决于具体应用的生物环境条件，例如水分含量、pH值、温度、酶的存在、活性氧物种、活性氮物种以及其他因素。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Glucoacetobacter xylinus	ATCC	700178
六水合三氯化铁	Sigma Aldrich	236489-100G
氢氧化铵	Macron Fine Chemicals	6665-46
聚乙二醇（平均分子量 Mn 400）	Sigma Aldrich	202398-250G
四水合二氯化铁	Sigma Aldrich	44939-250G
无水硫酸钙	W.A. Hammond Drierite	13001
高真空润滑脂	Sigma Aldrich	Z273554-1EA
pH 试纸	Sigma Aldrich	P4786-100EA
圆底三颈斜口蒸馏烧瓶	Sigma-Aldrich	CLS4965250
油浴用硅油	Sigma-Aldrich	85409-250ML
干燥管	Chemglass	CG-1295-01
隔膜塞，套筒型	Chemglass	CG-3022-98
磁力搅拌子	Chemglass	CG-2001-05
冷凝管	Chemglass	CG-1218-01
温度控制器	BriskHeat	SDC120JC-A
搅拌加热板	Fisher Scientific	11-100-49SH